HOGENT - Chemie - Organische chemie: structuur by HOGENT

Organische chemie: structuur. Chemie Modeltraject 1

Christel Meert

Organische Chemie: Structuur Aanpak van de cursus In dit OLOD bestuderen we organische moleculen, dit betekent koolwaterstofverbindingen. De cursus bestaat uit 5 grote delen: 1. 2. 3. 4. 5.

Hybridisatie Mesomerie Naamgeving Isomerie Fysische eigenschappen van organische moleculen.

De theorie van de verschillende onderdelen vind je op verschillende plaatsen. Afhankelijk van het hoofdstuk wordt de best passende leervorm gebruikt. De plaatsen waar de theoretische achtergrond te vinden is, zijn -

De ACCO leeromgeving. Deze leeromgeving is toegankelijk na aankoop van een toegangscode in de Standaard Boekhandel. Bij het boekenpakket vind je een kaartje met de inlog gegevens. Wanneer je die verliest, zal je een nieuwe toegangscode moeten aankopen. Zorg er ook voor dat je inlogt op het juiste portaal. Voor academiejaar 21/22, is dit: “2021-2022 – HoGent – PBA Chemie (MT1) – Organische Chemie – Christel Meert”. In de ACCO leeromgeving vind je alle theorie (inclusief interactieve oefeningen) van het deel Hybridisatie, het deel Mesomerie en het deel Naamgeving. De cursus Deze cursus heb je aangekocht. In de cursus deze cursus vind je alles rond Isomerie en Fysische Eigenschappen terug.

2. Hybridisatie Doelstellingen hoofdstuk hybridisatie De hybridisatietoestand van atomen (C-atoom en niet C-atomen) in organische moleculen bepalen De bindingen in organische moleculen beschrijven De vrije elektronenparen toekennen aan atoomorbitalen en/ of hybride orbitalen De correcte 3D voorstelling van organische moleculen beschrijven

2.1 Inleiding In organische moleculen zijn alle atomen (met uitzondering van het H-atoom) gehybridiseerd. Dit heeft tot gevolg dat deze atomen voor het vormen van bindingen niet meer gebruik maken van hun atoomorbitalen, maar wel van hybride orbitalen. Hybride orbitalen worden gevormd door een lineaire combinatie van atoomorbitalen. Voor atomen binnen organische moleculen kunnen 3 hybridisatietoestanden worden onderscheiden: • • •

sp3 hybridisatie sp2 hybridisatie sp hybridisatie

Merk op: in de notatie wordt het cijfer in "superscript" geplaatst, dus sp3 en NIET: sp3 Voor bet bestuderen van hybridisatie in deze cursus zullen we ons focussen op het C-atoom, het basiselement in de ketenopbouw van alle organische moleculen. De aspecten van hybridisatie kunnen dan verder worden uitgebreid naar hetero-atomen die we aantreffen binnen organische moleculen, zoals het O-atoom en het N-atoom. Dit zal worden geïllustreerd aan de hand van voorbeelden.

2.2 Hybridisatie en het C-atoom Het C-atoom heeft atoomnummer Z = 6. Dit betekent dat het C-atoom in zijn kern 6 protonen bevat. Deze protonen zijn positief geladen. Vermits het C-atoom een neutrale entiteit is, treffen we in zijn elektronenwolk dan ook 6 (negatief geladen) elektronen aan. Deze elektronen zitten verdeeld over 2 schillen (volgens het Bohr model). Er bevinden zich 2 elektronen op de eerste schil, voorgesteld als 1s2; de 4 resterende elektronen bevinden zich in de 2de schil en zijn hierbij verdeeld over 2 sub schillen. Dit wordt voorgesteld als 2s2 2p2. De 2de schil is de buitenste schil bezet met elektronen. Algemeen wordt de bezette buitenste schil de valentieschil genoemd. De totale elektronenconfiguratie van het C-atoom wordt voorgesteld als 1s2 2s2 2p2. Deze elektronconfiguratie stelt de elektron verdeling voor die typisch is bij het anorganische C-atoom. Het anorganisch C-atoom tref je aan in grafiet en diamant. In deze voorstelling stellen 1s, 2s en 2p atoomorbitalen voor.

In het 1s en 2s orbitaal is de elektronenwolk gekarakteriseerd door een sferische organisatie. Het 1s en 2s atoomorbitaal van het C-atoom zijn volledig opgevuld. Algemeen weten we dat elk atoomorbitaal maximaal 2 elektronen kan bevatten. Het 2p atoomorbitaal bestaat uit 3 energetisch gelijkwaardige atoomorbitalen, namelijk 2px, 2py en 2pz. Atoomorbitalen met dezelfde energiewaarde worden "gedegenereerd" genoemd. Voor de 3 gedegenereerde 2p atoomorbitalen is de elektronenwolk gekarakteriseerd door een haltervormige organisatie die voorkomt langs de x-as (~ 2px atoomorbitaal), langs de yas (~ 2py atoomorbitaal) en langs de z-as (~ 2pz atoomorbitaal). De 3 gedegenereerde atoomorbitalen staan dus loodrecht op elkaar. Voor het C-atoom zullen twee 2patoomorbitalen half gevuld zijn; het resterende 2p-atoomorbitaal is leeg (figuur 1).

figuur1.: opvulling van valentieschaal voor anorganisch C-atoom In een organische molecule maakt het C-atoom deel uit van een molecule. Algemeen gaan atomen onderling bindingen aan om op die manier een volledig gevulde valentieschil te bekomen. Een volledig gevulde valentieschil bevat 8 elektronen. Deze opvulling zorgt voor stabiliteit. Dit wordt algemeen geformuleerd in de octetregel. De octetregel is een vuistregel binnen de chemie die stelt dat atomen op een zodanige manier combineren dat ze elk acht elektronen hebben in hun valentieschil; ze hebben dan dezelfde elektronconfiguratie als een edelgas, namelijk de octetstructuur. Het C-atoom heeft een valentieschil die 4 valentie-elektronen bevat: 2s2 2p2. Voor het aangaan van bindingen betekent dit concreet dat het C-atoom door het vormen van bindingen zich verder laat omringen met 4 extra elektronen. De omringing met 4 extra elektronen vereist dat het C-atoom zich hiervoor bevindt in zijn gehybridiseerde toestand. Dit heeft tot gevolg dat het C-atoom hybride orbitalen (GEEN atoom orbitalen) ter beschikking stelt voor het plaatsen van deze 4 extra elektronen. Ook niet C-atomen die we aantreffen in organische moleculen (zoals O-atoom en N-atoom) komen voor in gehybridiseerde toestand. Ook deze atomen beschikken in de organische moleculen over hybride orbitalen voor het maken van bindingen. In organische chemie worden 3 hybridisatietoestanden onderscheiden: -

sp3 hybridisatie sp2 hybridisatie sp hybridisatie

Deze hybridisatietoestanden zijn bepalend voor de 3D structuur van de organische molecule.

2.3 sp3 hybridisatie We beschouwen de meest eenvoudige organische molecule: methaan, brutoformule: CH4. In deze molecule is het C-atoom gebonden aan 4 H-atomen. Het H-atoom heeft de elektronconfiguratie: 1s1. Met andere woorden: elk H-atoom stelt 1 elektron ter beschikking voor de binding met het centrale C-atoom. Algemeen ontstaat een chemische binding door een overlap van orbitalen. Indien het C-atoom in methaan niet gehybridiseerd is dan zou elke C-H binding het resultaat zijn van een overlap tussen een 1s atoomorbitaal van het H-atoom en een 2p atoomorbitaal van het centrale C-atoom. Dit heeft tot gevolg dat de bindingshoeken in methaan 90° zouden moeten bedragen. Dit is echter niet het geval. Uit onderzoek is gebleken dat de bindingshoeken in methaan 109° bedragen. Hoe kan dit verschil van 19° worden verklaard? In methaan komt het centrale C-atoom voor in gehybridiseerde toestand en zijn de C-H bindingen het gevolg van het gebruik van hybride orbitalen die we aantreffen rond dit gehybridiseerde C-atoom! Voor het maken van 4 enkelvoudige bindingen, zijn 4 energetisch gelijkwaardige hybride orbitalen rond het C-atoom nodig. Deze 4 hybride orbitalen worden bekomen uit de lineaire combinatie van de 4 valentieatoomorbitalen van het C-atoom. De resulterende orbitalen worden sp3 hybride orbitalen genoemd. De 4 valentie elektronen van het C-atoom worden verdeeld over deze 4 energetisch gelijkwaardige sp3 hybride orbitalen, met andere woorden: elk sp3 hybride orbitaal is gevuld met 1 elektron (figuur 2).

figuur2.: opvulling van valentieschil in organisch sp3 gehybridiseerd C-atoom De 4 sp3 hybride orbitalen zijn gericht volgens de hoekpunten van een tetraëder (figuur 3). Bijgevolg bedragen de hoeken tussen deze 4 sp3 hybride orbitalen 109°!

figuur 3.: tetraëdrische omringing rond sp3 C-atoom

De sp3 hybridisatie toestand komt voor bij alle enkelvoudig gebonden atomen in organische moleculen. Een uitzondering is het H-atoom. Dit komt nooit voor in gehybridiseerde toestand. Het is dus het enige atoom in organische moleculen dat gebruik maakt van een atoomorbitaal voor het maken van bindingen. We zullen dit illustreren aan de hand van een aantal voorbeelden. Voorbeeld 1: ethaan, CH3CH3 We starten met het tekenen van de Lewisstructuur (figuur 4). Merk op: De Lewisstructuur is nooit de correcte voorstelling van een organische molecule vermits de molecule hierin steeds als een vlakke structuur wordt voorgesteld. De Lewisstructuur is wel nuttig om een correct inzicht te hebben in de bindingen die elk atoom omringen.

figuur 4.: Lewisstructuur ethaan In de Lewisstructuur stellen we vast dat beide C-atomen enkelvoudig gebonden zijn. In de correcte 3D voorstelling van ethaan (figuur 5) zijn beide C-atomen sp3 gehybridiseerd. Deze beide atomen maken dus gebruik van sp3 hybride orbitalen voor het maken van de 4 enkelvoudige bindingen. Concreet betekent dit: -

elke C-H binding ontstaat door een overlap tussen een 1s atoomorbitaal van een Hatoom en een sp3 hybride orbitaal van de respectievelijke C-atomen. Drie sp3 hybride orbitalen van het C-atoom worden dus ingezet voor 3 C-H bindingen. Rond elk Catoom bedragen de bindingshoeken bijgevolg 109°. Elk C-atoom vertoont een zogenaamde teraëdrale omringing. de C-C binding ontstaat door een overlap tussen één sp3 hybride orbitaal van het ene C-atoom met één sp3 hybride orbitaal van het andere C-atoom.

figuur 5.: 3D structuur ethaan Een vereenvoudigde weergave van de 3D structuur van ethaan ziet er als volgt uit (figuur 6):

figuur 6.: 3D structuur ethaan – vereenvoudigde voorstelling

In de vereenvoudigde voorstelling worden de C-H bindingen die naar voor zijn georiënteerd en dus uit het vlak van het papier treden voorgesteld als:

De C-H bindingen die naar achter zijn georiënteerd worden voorgesteld als:

Voorbeeld 2: methanol, CH3OH We starten opnieuw met het tekenen van de Lewisstructuur (figuur 7).

figuur 7.: Lewisstructuur methanol In de Lewisstructuur stellen we vast dat het C-atoom en het O-atoom enkelvoudig gebonden zijn. In de correcte 3D voorstelling van methanol (figuur 8) is én het O-atoom én het C-atoom sp3 gehybridiseerd. Deze beide atomen maken dus gebruik van hybride orbitalen voor het maken van bindingen EN ook voor het plaatsen van hun vrije elektronenparen. Concreet betekent dit: -

elke C-H binding ontstaat door een overlap tussen een 1s atoomorbitaal van een Hatoom en een sp3 hybride orbitaal van het C-atoom. Drie sp3 hybride orbitalen van het C-atoom worden dus ingezet voor een C-H bindingen. Rond het C-atoom bedragen de bindingshoeken bijgevolg 109° de C-O binding ontstaat door een overlap tussen één sp3 hybride orbitaal van het Oatoom en één sp3 hybride orbitaal van het C-atoom. de O-H binding ontstaat door een overlap tussen één sp3 hybride orbitaal van het Oatoom en een 1s atoomorbitaal van het H-atoom. De 2 vrije elektronenparen op het O-atoom bevinden zich elk in een sp3 hybride orbitaal van het O-atoom. De bindingshoeken rond het O-atoom bedragen 109°; we zeggen ook: het O-atoom heeft een tetraëdrale omringing

109°

O 109°

figuur 8.: 3D structuur methanol Een vereenvoudigde weergave van de 3D structuur van methanol ziet er als volgt uit (figuur 9):

figuur 9.: 3D structuur methanol – vereenvoudigde voorstelling

BEGRIJPEN WE WAT WE STUDEREN? (inoefenen competentie: betekenis geven aan vakterminologie) Je vindt deze vragen (incl. antwoordentips) in de Sofia leeromgeving

2.4 sp2 hybridisatie sp2 hybridisatie en het C-atoom Voor het bespreken van de sp2 hybridisatie vertrekken we vanuit de molecule etheen: CH2=CH2. Deze molecule bevat een dubbele binding. Een dubbele binding bestaat steeds uit één σ-binding en één Π-binding. Een Π-binding tussen 2 C-atomen is steeds het resultaat van een zijdelingse overlap tussen twee 2p-atoomorbitalen. Tijdens de hybridisatie van de atoomorbitalen van het C-atoom moet dus één 2p atoomorbitaal overblijven. De overige twee resterende 2p atoomorbitalen zullen samen met het 2s atoomorbitaal hybridiseren tot drie energetisch gelijkwaardige sp2 hybride orbitalen (figuur 10). Het 2p-atoomorbitaal dat betrokken is in de Π-binding neemt dus NIET deel aan het hybridisatie proces. De 4 valentie-elektronen van het C-atoom worden nu gelijkwaardig verdeeld over de 3 sp2 hybride orbitalen en het 2p atoomorbitaal. Met andere woorden, in elk orbitaal bevindt zich één elektron (figuur 10).

figuur 10.: opvulling van valentieschil in organisch sp2 gehybridiseerd C-atoom De 3 sp2 hybride orbitalen zijn gericht volgens de hoekpunten van een driehoek (figuur 3). Bijgevolg bedragen de hoeken tussen deze 3 sp2 hybride orbitalen 120°! Een sp2 gehybridiseerd C-atoom vertoont bijgevolg een planaire omringing (figuur 11).

figuur 11.: planaire omringing rond organisch sp2 gehybridiseerd C-atoom https://vtk.ugent.be/w/images/4/4a/Algemene_scheikunde_-_Hoofdstuk-6-2013_Handouts.pdf

Voor de organische molecule etheen kunnen de bindingen als volgt worden beschreven (figuur 12): -

Elke C-H binding resulteert uit een overlap tussen een sp2 hybride orbitaal van het Catoom met een 1s atoomorbitaal van het H-atoom

De C-C σ-binding is het resultaat van een rechtstreekse overlap tussen een sp2 hybride orbitaal van het ene C-atoom met een sp2 hybride orbitaal van het andere Catoom. De C-C Π-binding ontstaat door een zijdelingse overlap van het 2p atoomorbitaal van het ene C-atoom met een 2p atoomorbitaal van het andere C-atoom. Deze Π-overlap bevindt zich boven en onder het vlak van de molecule. We zien duidelijk dat deze Π-overlap verhindert dat vrije rotatie rond de C=C binding optreedt. C-C

C-H

1s sp2 sp2

sp2

Π overlap

sp2 sp2

sp2 2p

Π overlap

figuur 12.: bindingen in etheen https://opentextbc.ca/chemistry/chapter/8-3-multiple-bonds/

Etheen is een planaire (dus vlakke) molecule. De beide C-atomen liggen in hetzelfde vlak. De bindingshoeken rond elk C-atoom bedragen 120° (figuur 13).

120° 120° 120° figuur 13.: etheen als planaire molecule

sp2 hybridisatie bij niet C-atomen De sp2 hybridisatie toestand komt voor bij alle dubbel gebonden atomen in organische moleculen, dus ook voor andere atomen dan het C-atoom. We illustreren dit aan de hand van de molecule aceton. In de Lewisstructuur van aceton (figuur 14) is het O-atoom dubbel gebonden met het “centrale” C-atoom.

figuur 14.: Lewisstructuur aceton

Ook het O-atoom zal gebruik maken van sp2 hybride orbitalen en één 2p atoomorbitaal voor het vormen van bindingen EN voor het plaatsen van zijn vrije elektronenparen. Concreet betekent dit (figuur 15): -

de C-O σ-binding (in de dubbele binding) ontstaat door een rechtstreekse overlap tussen één sp2 hybride orbitaal van het O-atoom en één sp2 hybride orbitaal van het Catoom. de C-O Π-binding (in de dubbele binding) ontstaat door een zijdelingse overlap tussen het 2p atoomorbitaal orbitaal van het O-atoom en het 2p atoomorbitaal van het Catoom. Net zoals bij de C=C binding verhindert de Π overlap dat vrije rotatie optreedt rond de C=O binding. De 2 vrije elektronenparen op het O-atoom bevinden zich elk in een sp2 hybride orbitaal van het O-atoom.

Het gebruik van sp2 hybride orbitalen en het 2p atoomorbitaal voor het vormen van de C=O dubbele binding wordt geïllustreerd in figuur 15.

sp2 sp2

sp2

figuur 15.: vorming van de C=O binding door orbitaal overlap Zoals blijkt in figuur 15, kunnen de 2 vrije elektronenparen van het O-atoom onmogelijk in de 2p lobe worden geplaatst. Dit atoomorbitaal is essentieel nodig voor het vormen van de Πbinding met het C-atoom en is bijgevolg niet meer beschikbaar voor de vrije elektronenparen! Het planaire karakter van de C=O binding wordt geïllustreerd in figuur 16. Vermits de Catomen van de CH3 groepen sp3 gehybridiseerd zijn, vertonen deze uiteraard een tetraëdrale omringing.

figuur 16.: 3D voorstelling van de molecule aceton

BEGRIJPEN WE WAT WE STUDEREN? (inoefenen competentie: betekenis geven aan vakterminologie) Je vindt deze vragen (incl. antwoordentips) in de Sofia leeromgeving

2.5 sp hybridisatie sp hybridisatie en het C-atoom Voor het bespreken van de sp hybridisatie vertrekken we vanuit de molecule ethyn: HC≡CH. Deze molecule bevat een driedubbele binding. Een driedubbele binding bestaat steeds uit één σ-binding en twee Π-bindingen. Dit betekent dat bij het hybridiseren van de atoomorbitalen twee 2p atoomorbitalen (van elk C-atoom) NIET zullen deelnemen aan het proces van hybridisatie. Het derde 2p atoomorbitaal zal samen met het 2s atoomorbitaal hybridiseren tot twee energetisch gelijkwaardige sp hybride orbitalen (figuur 17).

figuur 17.: opvulling van valentieschil in organisch sp gehybridiseerd C-atoom De twee sp-hybride orbitalen zijn georiënteerd volgens een rechte (figuur 18). Dit betekent dan ook dat de structuur rond een sp gehybridiseerd C-atoom steeds lineair is! De bindingshoeken rond een sp gehybridiseerd C-atoom bedragen bijgevolg 180°.

figuur 18.: lineaire omringing rond organisch sp gehybridiseerd C-atoom

De beide sp gehybridiseerd C-atomen in ethyn beschikken dus over twee sp hybride orbitalen voor het vormen van 2 σ-bindingen (1*C-C + 1*C-H) en twee 2p atoomorbitalen waarmee 2 Πbindingen worden gevormd (als onderdeel van de driedubbele binding). Dit wordt geïllustreerd in figuur 19.

2p sp

2p 2p Π overlap 1

Π overlap 2

figuur 19.: bindingen in ethyn In figuur 20 is duidelijk te zien dat ethyn een lineaire molecule is. H

figuur 20.: 3D voorstelling van de molecule ethyn

sp hybridisatie bij niet C-atomen De sp-hybridisatie beperkt zich niet tot C-atomen. Alle atomen (in organische moleculen) die gekarakteriseerd worden door een driedubbele bindingen zullen sp gehybridiseerd zijn. Een illustrerend voorbeeld is acetonitril, brutoformule: CH3C≡N:

figuur 21.: Lewisstructuur van acetonitril In de Lewisstructuur (figuur 21) is het N-atoom driedubbel gebonden met het C-atoom. Daarnaast bezit dit N-atoom ook nog een vrij elektronenpaar. In welk orbitaal bevindt zich dit vrij elektronenpaar? Om deze vraag correct te beantwoorden, moeten we volgend stappenplan met deelvragen doorlopen: -

Vraag 1: Wat is de hybridisatietoestand van het N-atoom? Vraag2: Hoe worden de verschillende orbitalen gebruikt voor het vormen van de bindingen met dit N-atoom? Vraag 3: Welk orbitaal is beschikbaar om een elektronenpaar in te plaatsen?

Antwoord op vraag 1: Het N-atoom is driedubbel gebonden, met andere woorden de hybridisatietoestand moet sp zijn. Het N-atoom moet bijgevolg nog twee 2p atoomorbitalen bezitten om de driedubbele

binding te vormen. Met andere woorden: het N-atoom bezit twee sp hybride orbitalen en twee 2p atoomorbitalen voor het vormen van bindingen. Antwoord op vraag 2: -

De twee 2p atoomorbitalen worden gebruikt tijdens de vorming van de 2 Π systemen van de driedubbele binding. Deze 2p atoomorbitalen zijn dus NIET meer beschikbaar om het vrije elektronenpaar van het N-atoom op te vangen. Eén sp hybride orbitaal wordt gebruikt tijdens de vorming van de σbinding in de driedubbele binding.

Antwoord op vraag 3 -

Van de 2 sp hybride orbitalen van het N-atoom neemt één sp hybride orbitaal niet deel aan een binding; in dit hybride orbitaal wordt het vrije elektronenpaar van het N-atoom geplaatst!

Nemen we de 3D structuur van acetonitril onder de loupe (figuur 22), dan vinden we dat de C≡N binding een lineaire binding is; het C- en het N-atoom liggen op een rechte. We zien hier ook de tetraëdrale omringing rond het sp3 C-atoom van de CH3-groep. H C

H figuur 22.: 3D voorstelling van de molecule acetonitril

BEGRIJPEN WE WAT WE STUDEREN? (inoefenen competentie: betekenis geven aan vakterminologie) Je vindt deze vragen (incl. antwoordentips) in de Sofia leeromgeving.

2.6 Hybridisatie: overzicht Onderstaande tabel geeft een overzicht van de hybridisatietoestanden voor het C-atoom en niet Catomen (zoals O-atoom en N-atoom) waaruit organische moleculen zijn opgebouwd. hybridisatietoestand type

atoom hybride orbitalen (h.o) orbitalen type aantal type

atoom orbitalen aantal

bindings type

sp3

sp3 h.o

enkelvoudige binding

sp2

sp2 h.o

dubbele binding

sp h.o

driedubbele binding

TIJD OM TE OEFENEN

2.7 Oefeningen – reeks 1 Te maken in de Sofia leeromgeving – 20 opgaven Inoefenen van het herkennen van de hybridisatietoestand.

2.8 Oefeningen – reeks 2 Te maken in de Sofia leeromgeving – 10 opgaven Inoefenen van het gebruik en het toekennen van hybride orbitalen.

TIP: starten met oefeningen reeks 2 vereist eerst het goed inoefenen van het toekennen van hybridisatietoestanden (= oefeningen uit reeks 1).